Prosty system obrazowania 3D może rejestrować poruszające się obiekty z prędkością 500 000 klatek na sekundę

W ostatnich latach pojawiły się różne techniki, dzięki którym obrazowanie 3D jest tańsze i szybsze. Niektóre urządzenia konsumenckie, takie jak iPhone X i Microsoft Kinect, mogą tworzyć takie obrazy. W przemyśle podobne podejścia sprawiają, że obrazowanie 3D jest kluczowym elementem wielu linii produkcyjnych, w których ważne jest bezkontaktowe pozyskiwanie danych.

Istnieją jednak znaczne ograniczenia tych technik, szczególnie w przypadku szybkiego obrazowania poruszających się obiektów. Problemy te oznaczają, że praktyczne systemy nie mogą rejestrować obrazów szybciej niż około 1000 klatek na sekundę.

Dziś wygląda na to, że zmieni się to dzięki pracy Hongwei Chen i kolegów z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie. Ci goście zbudowali prosty system obrazowania 3D, który nagrywa filmy z szybkością 500 000 klatek na sekundę. Co więcej, robią to za pomocą systemu, który wykorzystuje pojedyncze piksele do rejestrowania obrazów.

Najpierw trochę tła. Istnieją dwa praktyczne ograniczenia szybkości nagrywania obrazów 3D. Pierwszym z nich jest częstotliwość powtarzania się systemu oświetlenia, który może zamrozić akcję podczas emitowania znanego wzoru na obiekt, aby odsłonić jego kształt. Drugi to częstotliwość odświeżania chipów CCD, które wychwytują światło.

Spośród nich częstotliwość odświeżania chipów CCD jest najbardziej restrykcyjna. Na przykład ogranicza iPhone'a X w trybie slow-mo do 120 klatek na sekundę. Jednak wyższe prędkości są możliwe dzięki szybkim systemom oświetleniowym wykorzystującym cyfrowe urządzenia do przetwarzania światła, które mają częstotliwość odświeżania około 10 kiloherców.

Chen i spółka poprawili się w obu przypadkach. Ich system oświetlenia, który jest oparty na laserze, wykorzystuje sprytną sztuczkę do kodowania informacji z dużo większą szybkością niż wcześniej. Technika najpierw rozciąga każdy impuls, a następnie koduje wzorce zarówno w czasie, jak i długości fali, zanim ponownie skompresuje impuls. W ten sposób wzorce mogą odświeżać się z częstotliwością do 50 megaherców.

Zespół poprawił również szybkość, z jaką można przechwytywać obrazy. Chip CCD to tablica światłoczułych pikseli, które razem tworzą obraz 2D. Ale ich podstawowa technologia ogranicza częstotliwość odświeżania do znacznie mniej niż 1000 klatek na sekundę.

Nowe podejście rejestruje światło za pomocą pojedynczych pikseli wyprodukowanych przy użyciu zupełnie innej podstawowej technologii, która odświeża się z szybkością 500 000 klatek na sekundę. Ale jak stworzyć obraz z jednego piksela?

W tym celu Chen i spółka używają innej rewolucyjnej techniki fotograficznej, zwanej wyczuwaniem skompresowanym. Piksel rejestruje dużą liczbę kolejnych pomiarów światła odbitego od obiektu. To światło jest losowe przez zmieniający się wzór, który oświetla obiekt.

Ale chociaż te pomiary mogą wydawać się przypadkowe, w rzeczywistości są skorelowane, ponieważ wszystkie są odbijane od tego samego obiektu. Rzeczywiście, korelacją jest sam obraz. Odnalezienie tego to tylko kwestia prostego chrupania liczb.

Pozostaje tylko pytanie, jak szybko wzory można rzutować na obiekt. Właśnie dlatego nowa technika oświetlenia 50 MHz jest tak ważna. Oznacza to, że każdy obraz można utworzyć, przetwarzając światło ze 100 wzorów. Prowadzi to do szybkości klatek 500 000 klatek na sekundę. Zespół wykorzystuje kilka pojedynczych pikseli do zbudowania obrazu 3D.

Voila! System obrazowania 3D z możliwością przechwytywania obiektów poruszających się z prędkością do 500 metrów na sekundę z rozdzielczością 1 milimetra. Może to mieć istotne implikacje dla zdalnego monitorowania linii produkcyjnych i innych zastosowań obrazowania 3D. Zespół twierdzi, że jest to obiecujące rozwiązanie do wysokoprzepustowej przemysłowej inspekcji on-line lub autopilota w przyszłym społeczeństwie informacyjnym.

Wkrótce system powinien być jeszcze lepszy. Chen i spółka twierdzą, że proste modyfikacje ich systemu oświetlenia pozwolą na rzutowanie wzorów z prędkością gigahercową i że umożliwi to konstruowanie obrazów z szybkością 100 000 klatek na sekundę. Mówią więc, że nawet po tysiącach lub milionach iteracji użytych do rekonstrukcji pojedynczego piksela, prędkość obrazowania może osiągnąć nawet ponad 100 kHz. Imponująca praca!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1901.04141 : Jednopikselowe obrazowanie 3D z kodowaniem czasowym

ukryć